感知層技術(shù)PPT課件.ppt

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)導(dǎo)論 1 27 2020 1 第3章感知層技術(shù) 通常我們將物聯(lián)網(wǎng)大致分為三層 感知層 網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層 如圖3 1所示 感知層相當(dāng)于人體的皮膚和五官 網(wǎng)絡(luò)層相當(dāng)于人體的神經(jīng)中樞和大腦 應(yīng)用層相當(dāng)于人的社會分工 3 1條碼技術(shù)3 2電子標(biāo)簽 RFID3 3傳感器及檢測技術(shù)3 4智能檢測系統(tǒng)3 5MEMS技術(shù) 1 27 2020 2 公共感知層 1 27 2020 3 中間件部分 云計算處理 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)拓?fù)鋱D 1 27 2020 4 感知是指對客觀事物的信息直接獲取并進(jìn)行認(rèn)知和理解的過程 感知層 承擔(dān)信息的采集 可以應(yīng)用的技術(shù)包括條碼和掃描器 智能卡 RFID電子標(biāo)簽和讀寫器 攝像頭 GPS 傳感器 傳感器網(wǎng)絡(luò)等 其中條碼和RFID標(biāo)簽顯示身份 傳感器捕捉信息狀態(tài) 攝像頭記錄圖像 GPS進(jìn)行跟蹤定位 最終實(shí)現(xiàn)識別物體 采集信息的目標(biāo) 人類對事物的信息需求主要是對事物的識別與辨別 定位及狀態(tài)和環(huán)境變化的動態(tài)信息 感知信息的獲取需要技術(shù)的支撐 人們對于信息獲取的需求促使其不斷研發(fā)新的技術(shù)來獲取感知信息 目前這些技術(shù)應(yīng)用社會實(shí)踐活動中的主要有以下幾種 1 27 2020 5 3 1條碼技術(shù) 物聯(lián)網(wǎng)的第一代身份證一 條碼產(chǎn)生的背景20世紀(jì)20年代 為了實(shí)現(xiàn)信件自動分揀想出在信封上做條碼標(biāo)記 條碼中的信息是收件人的地址 如現(xiàn)在的郵政編碼 使用一個條表示 1 兩個條表示 2 而條碼識別設(shè)備 一個能夠發(fā)射光并接收反射光的掃描期 一個測定反射信號 條 和 空 的方法 掃描器利用光電采集器來收集發(fā)射光 空 發(fā)射回來的是強(qiáng)信號 條 反射回來的是弱信號 1 27 2020 6 1949年10月20日提出了今日條碼雛形的專利 該條碼最大的特點(diǎn)是將豎直的條碼彎曲呈環(huán)形 就像是箭靶或是公牛眼一樣 公牛眼代碼的好處在于無論什么地方都可以掃描出來 缺點(diǎn)是太浪費(fèi)空間 如圖3 2所示 1959年提出能夠描述數(shù)字0 9中每個數(shù)字可由7段平行條碼組成的條碼 1 27 2020 7 20世紀(jì)初 伍德蘭教授致力于條碼的開發(fā) 其研究成果成為現(xiàn)代通用產(chǎn)品代碼 UPC UniformProductCode 的碼規(guī)基礎(chǔ) 60年代末 條碼的讀取開始與計算機(jī)互聯(lián) 1970年 條碼識別用在了有軌電車和北美鐵路系統(tǒng) 第一次在倉庫管理系統(tǒng)中得到應(yīng)用 1973年 美國統(tǒng)一代碼委員會 UCC UniformCodeCommittee 建立了UPC條碼系統(tǒng) 并全面實(shí)現(xiàn)了該條碼編碼以及其所標(biāo)識的商品的標(biāo)準(zhǔn)化 UPC條碼一般包括12個數(shù)字 每個字符由兩個黑線條和兩個白線條組成 代碼由左右兩個半截線條組成 便于實(shí)現(xiàn)雙掃描識別 1 27 2020 8 UPC條碼有四大優(yōu)點(diǎn) 利用商店結(jié)賬機(jī)可快速加以識別 從各種角度都能識別 印刷成本比較便宜 不需多余的費(fèi)用 1974年 Intermec公司推出39碼 很快被美國國防部所采納 1975年歐洲共同體在UPC條碼基礎(chǔ)上 開發(fā)了歐洲物品編碼系統(tǒng) EANS EuropeanArticleNumberingSystem 簡稱EAN碼 正式成立歐洲物品編碼協(xié)會 EAN EuropeanArticleNumberingAssociation 直到1981年該組織發(fā)展為國際性組織 稱為 國際物品編碼協(xié)會 IAN InternationalArticleNumberingAssociation 并推出EAN128碼和93碼 其密度均比39碼高出近30 1981年 建立行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和本業(yè)內(nèi)的條碼應(yīng)用系統(tǒng) 1 27 2020 9 2005年1月 EAN正式更名為全球第一標(biāo)準(zhǔn)化組織 GSI Globalstandard1st 2005年6月 UCC正式更名為GS1US 目前 EPCglobal就是GS1和GS1US兩大標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)合成立 1970年IterfaceMechanisms公司開發(fā)出 二維碼 組合成高密度信息圖案 隨著LED 微處理器和激光二極管的不斷發(fā)展 迎來了新的標(biāo)識符號 象征學(xué) 和其應(yīng)用的大爆炸 被稱之為 條碼工業(yè) 1 27 2020 10 3 1 2條碼的構(gòu)成與工作原理 條形碼是一種信息的圖形化表示方法 可以把信息制作成條形碼 然后用相應(yīng)的掃描設(shè)備把其中的信息輸入到計算機(jī)中 條形碼分為一維條碼和二維條碼 一維碼比較常見 如日常商品外包裝上的條碼就是一維碼 它的信息存儲量小 僅能存儲一個代號 使用時通過這個代號調(diào)取計算機(jī)網(wǎng)中的數(shù)據(jù) 二維碼是近幾年發(fā)展起來的 它能在有限的空間內(nèi)存儲更多的信息 包括文字 圖像 指紋 簽名等 并可脫離計算機(jī)使用 條碼是由一組寬度不同 平行相鄰的黑色條紋和空白 按預(yù)設(shè)的格式與間距組合組合起來的符號 是一種供光電掃描器識讀 由計算機(jī)自動識別的特殊代碼 深色為條 淺色為空 條空代表的13位數(shù)字是直觀的代表特定商品相關(guān)信息 這是人與計算機(jī) 溝通 的一種特定語言 1 27 2020 11 條碼是一種信息采集的新技術(shù) 當(dāng)光電掃描器發(fā)出的光束掃過條碼時 掃描光線照在淺色的空上容易發(fā)射 而找到深色的條上則不反射 這樣被調(diào)取能夠發(fā)射回來的強(qiáng)弱 長短不同的光信號即輪換成相應(yīng)的電信號 經(jīng)過處理后變成計算機(jī)可接收的數(shù)據(jù) 從而讀出商品上條碼的信息 商品信息輸入電子收款機(jī)的計算機(jī)中后 計算機(jī)自動查閱商品數(shù)據(jù)庫中的價格數(shù)據(jù) 再反饋給電子收款機(jī) 隨即打印出售款清單和金額 其速度幾乎與掃描條碼同步完成 印刷在商品包裝袋上的條碼 像一條條商品信息的紐帶 將世界各國制造廠商的和形形色色的商品有機(jī)地聯(lián)系起來 清清楚楚地加以識別 它使商品在世界迅速流通 解除了各國文字語言的障礙 給計算機(jī)信息采集帶來很多方便 為建立起全球性的商品交易網(wǎng)絡(luò) 發(fā)揮著很大作用 1 27 2020 12 常用的條碼和條碼掃描器 當(dāng)光電掃描器發(fā)出的光束掃過條碼時 掃描光線照在淺色的空上容易發(fā)射 而找到深色的條上則不反射 這樣被調(diào)取過的條碼能夠發(fā)射回來的強(qiáng)弱 長短不同的光信號即轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號 經(jīng)過處理后變成計算機(jī)可接收的數(shù)據(jù) 從而讀出商品上條碼的信息 1 27 2020 13 常見的大概有二十多種碼制 Code39碼 標(biāo)準(zhǔn)39碼 codabar碼 庫德巴碼 code25碼 標(biāo)準(zhǔn)25碼 ITF25碼 交叉25碼 Matrix25碼 矩陣25碼 UPC A碼 EAN 13碼 EAN 13國際商品條碼 EAN 8碼 EAN 8國家商品條碼 中國郵政碼 矩陣25碼的一種變體 code B碼 MIS碼 code93碼 ISBN碼 ISSN碼 Code128碼 Code128 包括EAN128碼 code39EMS EMS專用的39碼 等一維條碼和PDF417等二維條碼 1 27 2020 14 國際廣泛使用的條碼種類有 EAN UPC碼 商品條碼 用于在世界范圍內(nèi)唯一標(biāo)識一種商品 我們在超市中最常見的就是EAN和UPC條碼 1 27 2020 15 3 1 3一維符號結(jié)構(gòu)與代碼結(jié)構(gòu) 1 商品編碼原則 1 唯一性 唯一性是指商品項(xiàng)目與其標(biāo)識代碼一一對應(yīng) 即一個商品項(xiàng)目只有一個代碼 一個代碼只標(biāo)識同一商品項(xiàng)目 商品項(xiàng)目代碼一旦確定 永不改變 即使該商品停止生產(chǎn) 停止供應(yīng)了 在一段時間內(nèi) 有些國家規(guī)定為3年 也不得將該代碼分配給其他商品項(xiàng)目 2 無含義 無含義代碼是指代碼數(shù)字本身及其位置不表示商品的任何特定信息 在EAN及UPC系統(tǒng)中 商品編碼僅僅是一種識別商品的手段 而不是商品分類的手段 無含義使商品編碼具有簡單 靈活 可靠 充分利用代碼容量 生命力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn) 這種編碼方法尤其適合于較大的商品系統(tǒng) 3 全數(shù)字型 在EAN及UPC系統(tǒng)中 商品編碼全部采用阿拉伯?dāng)?shù)字 1 27 2020 16 2 一維符號結(jié)構(gòu)表3 1EAN UCC 13代碼結(jié)構(gòu)分配 1 27 2020 17 商品上的條碼 標(biāo)準(zhǔn)條碼是由廠商識別代碼 商品項(xiàng)目代碼 校驗(yàn)碼三部分組成的13位數(shù)字代碼 分為四種結(jié)構(gòu) 廠商識別代碼由7 10位數(shù)字組成 中國物品編碼中心負(fù)責(zé)分配和管理 廠商識別代碼是由前綴碼和廠商代碼構(gòu)成的 前3位代碼為前綴碼 國際物品編碼協(xié)會已分配給中國大陸的前綴碼為690 695 分配給中國臺灣的前綴碼為471 分配給中國香港特別行政區(qū)的前綴碼為489 1 27 2020 18 表3 1為商品標(biāo)識代碼之一 EAN UCC 13代碼結(jié)構(gòu)分配 例如 1 27 2020 19 圖3 5所示 前3位數(shù)字代表的是國家或地區(qū)的代碼 690代表產(chǎn)地為中國大陸 中間4位數(shù)是廠商代碼 它是由商品的廠商自行編碼的 代表這這個商品的廠商編號 后5位是商品項(xiàng)目代碼 由各廠自行確定產(chǎn)品號碼 代表商品的類別 如日期 年份等 最后一個數(shù)字則是校驗(yàn)碼 圖右所示中 這兩件商品都是同一廠家出產(chǎn)的 其條碼只是位數(shù)相差了一位數(shù) 一個代表香辣味的 一個代表麻辣味的 13位代碼結(jié)構(gòu) 1 27 2020 20 3 條碼的符號特征 條與空是由標(biāo)準(zhǔn)寬度的模塊組合而成 一個標(biāo)準(zhǔn)寬度的條模塊表示二進(jìn)制的 1 而一個標(biāo)準(zhǔn)寬度的空模塊表示二進(jìn)制的 0 1 條和空分別由1 4個同一寬度的深或淺顏色的模塊組成 深色模塊用 1 表示 淺色模塊用 0 表示 2 數(shù)字條碼字符 2條2空 共7個模塊 3 輔助條碼字符 起始 終止符 中間分隔符 1 27 2020 21 A子集與C子集互為反相 B子集與C子集互為鏡像 A子集中條碼字符包含的條模塊的個數(shù)為奇數(shù) 稱奇排列 B C子集為偶數(shù) 稱偶排列 商品條碼的條碼字符集 0 9 條碼字符 2條2空 共7個模塊 每個條或空由1 4個模塊組成 條碼字符集 A子集 B子集 C子集 A子集B子集C子集 1 27 2020 22 EAN 13條碼構(gòu)成及符號構(gòu)成 1 27 2020 23 4 EAN 13商品條碼字符集的選用左側(cè)數(shù)據(jù)符右側(cè)數(shù)據(jù)符A子集和B子集C子集EAN 13商品條碼中的前置碼不用條碼字符表示 不包括在左側(cè)數(shù)據(jù)符內(nèi) 起始符 終止符為101 中間分隔符為01010 1 27 2020 24 表3 2左側(cè)數(shù)據(jù)符字符集的選用規(guī)則 選用A子集還是B子集表示左側(cè)數(shù)據(jù)符取決于前置碼的數(shù)值 1 27 2020 25 譬如 圖3 8中EAN 13商品條碼確定13位數(shù)字代碼6901234567892的左側(cè)數(shù)據(jù)符的二進(jìn)制表示 第一步 根據(jù)前表 前置碼為6的左側(cè)數(shù)據(jù)符所選用的字符集依次排列為ABBBAA 第二步 查表 左側(cè)數(shù)據(jù)符901234的二進(jìn)制表示 如表3 3所示 1 27 2020 26 5 店內(nèi)條碼 在購買散裝食品時 會使用一種獨(dú)特的條碼 店內(nèi)條碼 這種條碼是工作人員現(xiàn)將商品的名稱和保質(zhì)期輸入計算機(jī)備案數(shù)據(jù)庫 消費(fèi)者只要將所過食品放在稱重器上 然后輸入商品相關(guān)的信息后 就可以進(jìn)行打印了 在商品條碼的盲區(qū)里 主要是一些散裝的商品 店內(nèi)條碼就成為超市唯一的選擇 所以店內(nèi)條碼會一定范圍內(nèi)和商品條碼長期共存 圖3 9店內(nèi)條碼店內(nèi)條碼并不是超市或企業(yè)自己隨意制定的 也必須遵循相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn) GB T18283 2008 商品條碼店內(nèi)條碼 譬如超市店內(nèi)條碼按國家標(biāo)準(zhǔn)必須是以 20 24 作為前綴 店內(nèi)條碼的編碼分為兩種 不包含價格等信息的13位代碼和包含價格等信息的13位代碼 1 27 2020 27 6 EAN部分已分配的前綴碼 1 27 2020 28 3 1 4二維條碼組成與辨識 一維條碼只是在一個方向上 一般是水平方向 表達(dá)信息 使用時通過這個代號調(diào)取計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù) 因此一維條碼有一個明顯得缺點(diǎn) 即垂直方向不攜帶信息 故信息密度偏低 受信息容量的限制 一維條碼通常是對物品的標(biāo)識 而不是對物品的描述 它對兩個助手 計算機(jī)和數(shù)據(jù)庫相當(dāng)依賴 沒有兩個助手的鼎力相助 一維條碼很難派上用場 由于受信息容量的限制 一維條碼符號僅僅是對物品信息代碼的標(biāo)識 而不是對物品的描述 所謂對物品的標(biāo)識 就是給某物品分配一個代碼 代碼以條碼符號的形式印制在物品上 用來標(biāo)識該物品以便自動掃描設(shè)備的識讀 代碼或一維條碼本身不表示該產(chǎn)品的描述性信息 更詳細(xì)的信息要通過訪問數(shù)據(jù)庫才可以了解 1 27 2020 29 1 二維條碼組成與優(yōu)勢 二維條碼技術(shù)就是在一維條碼無法滿足實(shí)際應(yīng)用需求的前提下產(chǎn)生的 二維條碼是用某種特定的幾何圖形按一定規(guī)律在平面 水平和垂直二維方向 上分布的條 空相間的圖形來記錄數(shù)據(jù)符號信息 作為一種全新的自動識別和信息載體技術(shù) 二維條碼能將圖像 聲音 文字等信息進(jìn)行整合 從而增加搭載的信息量 二維碼的數(shù)據(jù)存儲量是一維碼的幾十倍到幾百倍 就像一個便攜式的數(shù)據(jù)庫 表3 5給出一維碼和二維碼的比較 1 27 2020 30 二維條碼的設(shè)計中有兩個目的 一是為了保證局部損壞的條碼仍可正確辨識 二是使掃描容易完成 1 27 2020 31 二維條碼的優(yōu)點(diǎn) 1 可靠性強(qiáng)條形碼的讀取準(zhǔn)確率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過人工記錄 平均每15000個字符才會出現(xiàn)一個錯誤 2 效率高條形碼的讀取速度很快 相當(dāng)于每秒40個字符 3 成本低與其它自動化識別技術(shù)相比較 條形碼技術(shù)僅僅需要一小張貼紙和相對構(gòu)造簡單的光學(xué)掃描儀 成本相當(dāng)?shù)土?4 易于制作條形碼的編寫很簡單 制作也僅僅需要印刷 被稱作為 可印刷的計算機(jī)語言 5 構(gòu)造簡單條形碼識別設(shè)備的構(gòu)造簡單 使用方便 6 靈活實(shí)用條形碼符號可以手工鍵盤輸入 也可以和有關(guān)設(shè)備組成識別系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動化識別 還可和其他控制設(shè)備聯(lián)系起來實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)的自動化管理 1 27 2020 32 7 高密度二維條碼通過利用垂直方向的堆積來提高條碼的信息密度 而且采用高密度圖形表示 因此不需事先建立數(shù)據(jù)庫 真正實(shí)現(xiàn)了用條碼對信息的直接描述 8 糾錯功能二維條形碼不僅能防止錯誤 而且能糾正錯誤 即使條形碼部分損壞 也能將正確的信息還原出來 9 多語言形式 可表示圖像二維條碼具有字節(jié)表示模式 即提供了一種表示字節(jié)流的機(jī)制 不論何種語言文字它們在計算機(jī)中存儲時以機(jī)內(nèi)碼的形式表現(xiàn) 而內(nèi)部碼都是字節(jié)碼 可識別多種語言文字的條碼 10 具有加密機(jī)制可以先用一定的加密算法將信息加密 再用二維條碼表示 在識別二維條碼時 再加以一定的解密算法 便可以恢復(fù)所表示的信息 1 27 2020 33 2 常見的二維條碼分類 1 27 2020 34 堆疊式和矩陣式二維條碼的組成特點(diǎn) 堆疊式二維條碼的編碼原理是建立在一維條碼的基礎(chǔ)上 將一維條碼的高度變窄 再根據(jù)需要堆成多行 其編碼設(shè)計 檢查原理 識讀方式等方面都繼承了一維條碼的特點(diǎn) 但由于行數(shù)增加 對行的辨識 解碼算法及軟體則與一維條碼有所不同 49碼 16K碼 PDF417等為代表 其中PDF是取英文PortableDataFile的縮寫 意為 便攜數(shù)據(jù)文件 是目前應(yīng)用最為廣泛的堆疊式二維條碼 矩陣式二維條碼是以矩陣的形式組成 在矩陣相應(yīng)元素位置上 用點(diǎn)的出現(xiàn)表示二進(jìn)制的 1 不出現(xiàn)表示二進(jìn)制的 0 點(diǎn)的排列組合確定了矩陣碼所代表的意義 其點(diǎn)可以是方點(diǎn) 圓點(diǎn)或其他形狀的點(diǎn) 是建立在計算機(jī)圖像處理技術(shù) 組合編碼原理等基礎(chǔ)上的圖形符號自動辨識的碼制 DataMatrix碼 MaxiCode碼 快速響應(yīng) QR QuickResponse 碼為代表性 我國自主產(chǎn)權(quán)的國家標(biāo)準(zhǔn)二維碼有 GB T17172 1997四一七條碼 GB T18284 2000快速響應(yīng)矩陣碼 緊密矩陣CM碼 網(wǎng)格矩陣GM碼 SJ T11349 2006網(wǎng)格矩陣碼 和 SJ T11350 2006緊密矩陣碼 1 27 2020 35 3 1 5二維條碼的應(yīng)用1 二維條碼與手機(jī) 手機(jī)二維條碼的出現(xiàn) 為手機(jī)和網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)運(yùn)創(chuàng)造了無限可能 打開了一條跨媒體的通道 它輕松地連接起了人們?nèi)粘Ｉ詈途W(wǎng)絡(luò)世界 盡管它與商業(yè)的結(jié)合散發(fā)出來的魅力因?yàn)橹赡圻€有所局限 但一個新興營銷國度的開啟已勢在必然 手機(jī)二維條碼的出現(xiàn) 為手機(jī)和網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)運(yùn)創(chuàng)造了無限可能 打開了一條跨媒體的通道 它輕松地連接起了人們?nèi)粘Ｉ詈途W(wǎng)絡(luò)世界 盡管它與商業(yè)的結(jié)合散發(fā)出來的魅力因?yàn)橹赡圻€有所局限 但一個新興營銷國度的開啟已勢在必然 如 一鍵上網(wǎng) 移動商務(wù) 二維碼導(dǎo)游 二維碼導(dǎo)購 二維碼名片 等 1 27 2020 36 當(dāng)二維條碼遇見手機(jī) 二維條碼是由黑白方格組成的馬賽克矩陣 它可以橫向和縱向兩個方位同時表達(dá)信息 因此能在很小的面積內(nèi)表達(dá)大量的內(nèi)容 且具有糾錯能力強(qiáng) 識別速度快 全方位識讀等特點(diǎn) 就是這樣一個神奇的圖案 配合已越來越高效的網(wǎng)絡(luò) 借助與手機(jī)的掃碼功能 即可輕而易舉的獲得豐富的信息 1 27 2020 37 手機(jī)二維碼工作特點(diǎn) 手機(jī)二維碼就是一種內(nèi)部存入了有關(guān)信息的特殊幾何圖案 它會隨著信息的改變而改變 手機(jī)二維碼是橫縱排列的 大大提高了它的信息容量 在讀取上 手機(jī)二維條碼可分為主動讀取和被動讀取兩種 主動讀取就是用手機(jī)作為拍攝體 去拍攝印刷品上的二維條碼 被動讀取是把二維條碼傳輸?shù)绞謾C(jī)上顯示出來 然后另外專用的設(shè)備去照射 也就是說 如果用手機(jī)去拍攝印有二維條碼的圖案就是主動讀取 當(dāng)手機(jī)內(nèi)已經(jīng)存入一個二維條碼的圖案 用特殊設(shè)備來識別它 就是被動讀取 1 27 2020 38 二維碼的安全性很高 手機(jī)二維碼在開展應(yīng)用的時候 都已經(jīng)采用了非常高級別的安全加密 是對業(yè)務(wù)信息進(jìn)行加密 這樣其他用戶就無法偽造這個二維碼了 譬如 電影票上的二維碼是經(jīng)過高級加密 把這個二維碼用掃描設(shè)備識別一下 讀出來的信息是亂碼 在傳輸過程中 破解它的規(guī)律 偽造另一張合法電影票 基本上是無法實(shí)現(xiàn)的 只有傳輸?shù)胶笈_系統(tǒng) 后臺系統(tǒng)在進(jìn)行解密之后 才能還原到最初的業(yè)務(wù)信息 普通的消費(fèi)者和玩家?guī)缀醪豢赡芷平饷艽a 從技術(shù)角度來看 手機(jī)二維碼用于一般商業(yè)用途 基本上不會出現(xiàn)安全隱患 而對于掌握各種二維碼生成源程序的廠家老說 都可以在生成手機(jī)條碼的過程中采用二維碼內(nèi)部的加密 對二維碼進(jìn)行防盜和防偽 在日本市場基于二維碼的適度應(yīng)用上 手機(jī)二維碼占據(jù)了80 以上 1 27 2020 39 2 主要應(yīng)用 1 物流管理 1 27 2020 40 2 優(yōu)惠券 3 火車票實(shí)名制 4 超市商品信息管理 6 解析網(wǎng)址 1 27 2020 41 5 海報廣告 1 27 2020 42 7 購買產(chǎn)品8 防偽9 證照應(yīng)用10 備援應(yīng)用 1 27 2020 43 3 二維條碼的識讀設(shè)備 1 線性CCD和線性圖像式識讀器 LinearImager 可識讀一維條碼和行排式二維條碼 如PDF417 在閱讀二維條碼時需要沿條碼的垂直方向掃過整個條碼 又稱為 掃動式閱讀 這類產(chǎn)品的價格比較便宜 2 帶光柵的激光識讀器 可識讀一維條碼和行排式二維條碼 識讀二維碼時將掃描光線對準(zhǔn)條碼 由光柵部件完成垂直掃描 不需要手工掃動 3 圖像式識讀器 ImageReader 采用面陣CCD攝像方式將條碼圖像攝取后進(jìn)行分析和解碼 可識讀一維條碼和二維條碼 另外 二維條碼的識讀設(shè)備依工作方式的不同還可以分為 手持式 固定式和平版掃描式 二維條碼的識讀設(shè)備對于二維條碼的識讀會有一些限制 但是均能識別一維條碼 1 27 2020 44 4 二維碼的局限性 盡管二維碼作用很大 但還是無法承載圖像 視頻等超大的流媒體信息 按照二維碼編碼規(guī)范 其圖形的面積越大 它可以儲存的信息量也就越大 但是 由于手機(jī)屏幕是有一定大小限制的 尤其是咱中國的手機(jī)種類特別復(fù)雜 所以 現(xiàn)在的手機(jī)二維碼信息 能儲存的大概是100個漢字以內(nèi) 不會太多 這個長度應(yīng)付我們大部分的應(yīng)用是綽綽有余 此時 我們所需要得到的是一個方便快捷的索引介質(zhì) 二維碼作為一個人機(jī)交互的理想載體 是可以承擔(dān)這個功能的 它可以讓你很方便的找到你所需要的東西 而為必須要在二維碼本身里面 把所有完整的信息存進(jìn)去 1 27 2020 45 3 2電子標(biāo)簽 物聯(lián)網(wǎng)的第二代身份證 電子射頻標(biāo)識 RFID 高技術(shù)含量的芯片 可視為包裝商品的 智能大腦 基于RFID技術(shù)的可用于單品識別的物聯(lián)網(wǎng)平臺給人們提供了無限的想象空間 隨著RFID的發(fā)展和普及 貼有電子標(biāo)簽的商品隨處可見 與我們的一代居民身份證換發(fā)為二代身份證一樣 商品的身份證也在 升級 作為物聯(lián)網(wǎng)的第二代身份證 電子標(biāo)簽將伴隨商品從倉庫到商店再到購買者 甚至一直到變成垃圾的整個生命過程 同時 顧客還可以通過這種智能標(biāo)簽直接了解他們所需要的商品 并立刻得到帶有標(biāo)簽的商品的有關(guān)信息 1 27 2020 46 1 27 2020 47 3 2 1RFID技術(shù)的理論基礎(chǔ) RFID RadioFrequencyIdentification 射頻識別是一項(xiàng)利用射頻信號通過空間耦合實(shí)現(xiàn)無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達(dá)到識別目的的技術(shù) 射頻識別系統(tǒng)通常由電子標(biāo)簽和閱讀器組成 射頻識別系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲在射頻標(biāo)簽之中 其能量供應(yīng)以及與識讀器之間的數(shù)據(jù)交換不是通過電流而是通過磁場或電磁場進(jìn)行的 能量是RFID存在的基礎(chǔ) 電磁能是自然界存在的一種能量形式 1 27 2020 48 1 電磁波與頻道分配 1 27 2020 49 各國的無線管理部門也規(guī)定了有些頻帶為免費(fèi)的 以滿足不同的需要 可供我們開發(fā)無線通信設(shè)備使用 這些頻帶通常包括ISM IndustrialScientificMedical 工業(yè) 科學(xué)和醫(yī)療 頻帶 各國的無線電管理不盡相同 譬如 在美國 免許可的頻道包括27MHz 260 470MHz 902 928MHz和2 4GHz 中國目前可具體使用的ISM頻率是315MHz 433MHz和2 4GHz ISM IndustrialScientificMedical Band 是由ITU R ITURadiocommunicationSector 國際通信聯(lián)盟無線電通信局 定義的 此頻段主要是開放給工業(yè) 科學(xué) 醫(yī)學(xué)三個主要機(jī)構(gòu)使用 屬于FreeLicense 無需授權(quán)許可 只需要遵守一定的發(fā)射功率 一般低于1W 并且不要對其它頻段造成干擾即可 2 4GHz頻段為各國共同的ISM頻段 因此無線局域網(wǎng) 藍(lán)牙 ZigBee等無線網(wǎng)絡(luò) 均可工作在2 4GHz頻段上 除了ISM頻帶以外 在中國整個低于135kHz 在北美 南美和日本低于400kHz 也都是可以使用的免費(fèi)頻段 1 27 2020 50 2 RFID技術(shù)的源頭 能量是RFID存在的基礎(chǔ) 電磁能是自然界存在的一種能量形式 RFID是無線電廣播技術(shù)和雷達(dá)技術(shù)的結(jié)合 雷達(dá)采用的是無線電波的反射和反向散射理論 而無線電廣播技術(shù)是關(guān)于如何使用無線電波發(fā)射 傳播和接受語音 圖像 數(shù)字 符號的技術(shù) RFID是直接集成雷達(dá)的概念 并由此發(fā)展起來的一種新的自動識別技術(shù) 1948年哈利 斯托克曼發(fā)表論文 利用能量反射的方法進(jìn)行通信 奠定了RFID的理論基礎(chǔ) 成為RFID理論發(fā)展的里程碑 1 27 2020 51 RFID由理論變?yōu)楝F(xiàn)實(shí) 60年代出現(xiàn)了RFID技術(shù)的第一個商業(yè)應(yīng)用系統(tǒng) 商品電子防盜系統(tǒng) EAS 1977年 美國開發(fā)了 機(jī)動車電子牌照 90年代RFID在美國的公路自動收費(fèi)系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用 另外 RFID在動物追蹤 車輛追蹤 監(jiān)獄囚犯管理 公路自動收費(fèi)以及工廠自動化方面也得到了廣泛應(yīng)用 其他應(yīng)用還包括汽車門遙控快關(guān) 停車場管理 社區(qū)和校園大門控制系統(tǒng)等 21世紀(jì) RFID標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)初步形成 第二代標(biāo)準(zhǔn)已于2004年底公布 2003年11月4日 世界零售商巨頭沃爾瑪宣布 它將采用RFID技術(shù)追蹤其供應(yīng)鏈系統(tǒng)中的商品 并要求其前100大供應(yīng)商從2005年起將所有發(fā)運(yùn)到沃爾瑪?shù)呢洷P和外包裝箱貼上電子標(biāo)簽 這一重大舉動揭開了RFID在開放系統(tǒng)中應(yīng)用的序幕 1 27 2020 52 1 27 2020 53 3 2 2RFID的技術(shù)優(yōu)劣 經(jīng)過實(shí)地檢驗(yàn) 沃爾瑪?shù)牧闶凵虉龊团渌椭行膽?yīng)用RFID技術(shù)后 其貨物短缺率和產(chǎn)品脫銷率降低了16 商品庫存管理效率提高了10 左右 商品補(bǔ)貨速度較之前提高了3倍 商場補(bǔ)貨效率加快了63 平均庫存量降低了10 射頻技術(shù)與條碼分屬兩種不同的技術(shù) 有不同的適用范圍 有時會有重疊 兩者之間在有無寫入信息能力 能否實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離識別的批量識別 運(yùn)營成本等方面有著較大區(qū)別 1 27 2020 54 與傳統(tǒng)條碼識別技術(shù)相比 RFID的優(yōu)勢 為每件物品分配唯一的標(biāo)識 所有的產(chǎn)品都可以享受獨(dú)一無二的ID 這對于ERP EnterpriseResourcePlanning 企業(yè)資源計劃系統(tǒng) 和SCM Supplychainmanagement 供應(yīng)鏈管理 系統(tǒng)來說是一種革命性的突破 即可以識別單個物體 1 27 2020 55 掃描速度快 一次性處理多個標(biāo)簽 并將處理的狀態(tài)寫入標(biāo)簽 RFID的讀卡器每250ms便可從電子標(biāo)簽中讀出商品的相關(guān)數(shù)據(jù) 可識別高速運(yùn)動物體并可同時識別多個標(biāo)簽 操作快捷 即將傳統(tǒng)的單體處理方式變?yōu)?批處理 方式 體積小 易封裝 抗污染能力強(qiáng) 可實(shí)現(xiàn)穿透性識別 條碼適用于售價極低的商品 而RFID適用于價格較高或多目標(biāo)同時識別的場合 可重復(fù)使用 電子標(biāo)簽壽命可達(dá)10年以上 讀寫次數(shù)達(dá)10萬次之多 這點(diǎn)對于物流中的節(jié)點(diǎn)記載 貨物追蹤特別有用 1 27 2020 56 2020 1 27 57 穿透性和無屏障閱讀 可不斷地主動或被動發(fā)射電波 只要處于RFID讀寫器的接收范圍之內(nèi) 就可以被 感應(yīng) 并正確地識別出來 但不能穿透鐵質(zhì)金屬 數(shù)據(jù)的存儲容量大 一維條碼的容量為50字節(jié) 二維條碼最大的容量可存儲2 3000字符 RFID的容量則有數(shù)百萬字節(jié) 安全性高 RFID技術(shù)是條碼技術(shù)的發(fā)展和完善 條碼及技術(shù)和RFID技術(shù)都是現(xiàn)代物流信息系統(tǒng)的重要組成部分 1 27 2020 58 3 2 3RFID的工作原理 1 系統(tǒng)組成 RFID的系統(tǒng)組成包括 電子標(biāo)簽 Tag 讀寫器 Reader 閱讀器 以及作為服 務(wù)器的計算機(jī)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)三部分 其中 電子標(biāo)簽中包含RFID芯片和天線 Antenna 一種利用無線射頻進(jìn)行非接觸雙向通信的識別方式 如下圖3 21所示 1 27 2020 59 RFID電子標(biāo)簽 Tag RFID電子標(biāo)簽又稱電子標(biāo)簽或數(shù)據(jù)載體 是系統(tǒng)主要核心部件 有耦合元件和芯片組成 用于存儲數(shù)據(jù)信息 1 27 2020 60 RFID天線 Antenna 在標(biāo)簽和閱讀器之間傳遞射頻信號 1 27 2020 61 RFID閱讀器 Reader 用于讀取 寫入標(biāo)簽信息的設(shè)備 分為手持和固定式 1 27 2020 62 2 工作過程 讀寫器通過發(fā)射天線發(fā)送一定頻率的射頻信號 當(dāng)電子標(biāo)簽進(jìn)入讀寫器天線工作區(qū)時 電子標(biāo)簽天線產(chǎn)生足夠的感應(yīng)電流 電子標(biāo)簽獲得能量被激活 電子標(biāo)簽將自身信息通過內(nèi)置天線發(fā)送出去 讀寫器天線接收載波信號 讀寫器調(diào)解 解碼 送至系統(tǒng)高層處理 系統(tǒng)高層根據(jù)邏輯判斷標(biāo)簽的合法性 系統(tǒng)高層針對不同的設(shè)定做出相應(yīng)處理 發(fā)出指令信號 控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作 1 27 2020 63 RFID系統(tǒng)的工作原理 空間傳輸通道中發(fā)生的過程可歸結(jié)為三種事件模型 數(shù)據(jù)交換是目的 時序是數(shù)據(jù)交換的實(shí)現(xiàn)方式 能量是時序得以實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ) 兩種耦合方式 電感耦合 依據(jù)電磁感應(yīng)定律 適用于中低頻 典型的工作頻率有 125kHz 225kHz和13 56MHz 作用距離10 20cm 電磁反向散射耦合 雷達(dá)原理模型 適用于高頻 微波頻率段 典型工作頻率 433MHz 915MHz 2 45GHz和5 8GHz 作用距離3 10m 1 27 2020 64 3 RFID讀寫器防沖撞 防碰撞 機(jī)理 RFID分類的一個重要的看點(diǎn)在于是否需要同時讀取復(fù)數(shù)個標(biāo)簽 為了實(shí)現(xiàn)這個功能在通信上所采取的技術(shù)是 防沖撞 防碰撞 同時讀取復(fù)數(shù)個標(biāo)簽是常被人們談及的RFID比圖形碼遠(yuǎn)為優(yōu)越的地方 但是如果沒有防碰撞 防沖撞 的功能時 RFID系統(tǒng)只能讀寫一個標(biāo)簽 在這種情況下如果有兩個以上的標(biāo)簽同時處于可讀取的范圍內(nèi)就會導(dǎo)致讀取的錯誤 我們簡單地說明防碰撞 防沖撞 功能的工作原理 即使是具有防碰撞 防沖撞 功能的RFID系統(tǒng) 實(shí)際上并非同時讀取所有標(biāo)簽的內(nèi)容 在同時查出有復(fù)數(shù)個標(biāo)簽存在的情況下 檢索信號并防止沖突的功能開始動作 1 27 2020 65 為了進(jìn)行檢索 首先要確定檢索條件 例如 13 56MHz頻帶的RFID系統(tǒng)里應(yīng)用的ALOHA AdditiveLinkOn lineHawaiisystem 信道的動態(tài)分配系統(tǒng) 是使用無線電頻率的時分多路包交換系統(tǒng) 站可以在任意給定時間內(nèi)傳輸數(shù)據(jù) 在給定時間之后仍未收到應(yīng)答 就重新發(fā)一個包 因而減少碰撞 ALOHA協(xié)議方式的防碰撞功能的工作步驟如下圖3 23所示 1 27 2020 66 1 首先 閱讀器指定電子標(biāo)簽內(nèi)存的特定位數(shù) 1 4位左右 為次數(shù)批量 2 電子標(biāo)簽根據(jù)次數(shù)批量 將響應(yīng)的時機(jī)離散化 例如在兩位數(shù)的次數(shù)批量 00 01 10 11 時 讀寫器將以不同的時機(jī)對這四種可能性逐一進(jìn)行響應(yīng) 3 若在各個時隙里同時響應(yīng)的電子標(biāo)簽只有一個的場合下才能得到這個電子標(biāo)簽的正常數(shù)據(jù) 信息讀取之后閱讀器對于這個電子標(biāo)簽發(fā)送在一定的時間內(nèi)不再響應(yīng)的睡眠的指令 Sleep Mute 使之在休眠 避免再次向應(yīng) 4 若在各個時隙內(nèi)同時由幾個電子標(biāo)簽響應(yīng) 判別為 沖突 在這種情況下 內(nèi)存內(nèi)的另外兩位數(shù)所記錄的次數(shù)批量 重復(fù)以上從2 開始的處理 5 所有的電子標(biāo)簽都完成響應(yīng)之后 閱讀器向他們發(fā)送喚醒的指令 WakeUp 從而完成對所有電子標(biāo)簽的信息讀取 在這種搭載有防碰撞 防沖撞 功能的RFID系統(tǒng)中 為了只讀一個標(biāo)簽 幾經(jīng)調(diào)整次數(shù)批量反復(fù)讀取進(jìn)行檢索 所以 一次性讀取具有一定數(shù)量的標(biāo)簽的情況下 所有的標(biāo)簽都被讀到為止其速度是不同的 一次性讀取的標(biāo)簽數(shù)目越多 完成讀取所需時間要比單純計算所需的時間越長 1 27 2020 67 4 RFID與其他方式的比較 1 27 2020 68 3 2 4電子標(biāo)簽的分類與應(yīng)用1 按供電形式 根據(jù)標(biāo)簽的供電形式分為有源標(biāo)簽 主動標(biāo)簽 和無源標(biāo)簽 被動標(biāo)簽 有源標(biāo)簽自帶電池 識別距離較長 可達(dá)到10m以上 而壽命有限 價格較高 體積較大 應(yīng)用較少 無源標(biāo)簽重量輕 體積小 壽命長 成本低 應(yīng)用廣泛 但發(fā)射距離受限 大約在1m左右 依靠從閱讀器發(fā)射的電磁場中提取能量來供電 需要有較大的讀寫器發(fā)射功率 2 按工作方式分 射頻識別系統(tǒng)的基本工作方式分為全雙工 FullDuplex 和半雙工 HalfDuplex 系統(tǒng)以及時序 SEQ 系統(tǒng) 全雙工表示射頻標(biāo)簽與讀寫器之間可在同一時刻互相傳送信息 半雙工表示射頻標(biāo)簽與讀寫器之間可以雙向傳送信息 但在同一時刻只能向一個方向傳送信息 1 27 2020 69 3 按數(shù)據(jù)量分 射頻識別射頻標(biāo)簽的數(shù)據(jù)量通常在幾個字節(jié)到幾千個字節(jié)之間 但是 有一個例外 這就是1比特射頻標(biāo)簽 它有1比特的數(shù)據(jù)量就足夠了 使閱讀器能夠作出以下兩種狀態(tài)的判斷 在電磁場中有射頻標(biāo)簽 或 在電磁場中無射頻標(biāo)簽 這種要求對于實(shí)現(xiàn)簡單的監(jiān)控或信號發(fā)送功能是完全足夠的 因?yàn)?比特的射頻標(biāo)簽不需要電子芯片 所以射頻標(biāo)簽的成本可以做得很低 由于這個原因 大量的1比特射頻標(biāo)簽在百貨商場和商店中用于商品防盜系統(tǒng) EAS 當(dāng)帶著沒有付款的商品離開百貨商場時 安裝在出口的讀寫器就能識別出 在電磁場中有射頻標(biāo)簽 的狀況 并引起相應(yīng)的反應(yīng) 對按規(guī)定已付款的商品來說 1比特射頻標(biāo)簽在付款處被除掉或者去活化 4 按可編程分 能否給射頻標(biāo)簽寫入數(shù)據(jù)是區(qū)分射頻識別系統(tǒng)的另外一個因素 對簡單的射頻識別系統(tǒng)來說 射頻標(biāo)簽的數(shù)據(jù)大多是簡單的 序列 號碼 可在加工芯片時集成進(jìn)去 以后不能再變 與此相反可寫入的射頻標(biāo)簽通過讀寫器或?qū)Ｓ玫木幊淘O(shè)備寫入數(shù)據(jù) 射頻標(biāo)簽的數(shù)據(jù)寫入一般分為無線寫入與有線寫入兩種形式 目前鐵路應(yīng)用的機(jī)車 貨車射頻標(biāo)簽均采用有線寫入的工作方式 1 27 2020 70 5 RFID不同頻段的應(yīng)用 工作在不同頻段或頻點(diǎn)上的電子標(biāo)簽具有不同的特點(diǎn) 射頻識別應(yīng)用占據(jù)的頻段貨品點(diǎn)在國際上公認(rèn)的劃分 位于ISM IndustrialScientificMedical 波段中 此頻段主要是開放給工業(yè) 科學(xué) 醫(yī)學(xué) 三個主要機(jī)構(gòu)使用 屬于沒有所謂使用授權(quán)的限制 ISM頻段在各國的規(guī)定并不統(tǒng)一 典型的工作頻率有 125kHz 133kHz 13 56MHz 27 12MHz 433MHz 860 930MHz 2 45GHz 5 8GHz等 1 27 2020 71 1 低頻段電子標(biāo)簽 工作頻率范圍為30 300kHz 典型工作頻率有 125kHz和134kHz 無源標(biāo)簽 電感耦合方式 讀寫距離小于1m 主要優(yōu)勢 標(biāo)簽芯片采用普通的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體元件 CMOS 工藝 省電 廉價 工作頻率不受無線電頻率管制和約束 可穿透水 有機(jī)組織和木材等 非常適合近距離的 低速率的 數(shù)據(jù)量要較少的識別應(yīng)用 典型應(yīng)用有 畜牧業(yè)管理系統(tǒng) 汽車防盜系統(tǒng) 無鑰匙開門系統(tǒng) 馬拉松賽跑系統(tǒng) 自動停車收費(fèi)系統(tǒng) 車輛管理系統(tǒng) 自動加油系統(tǒng) 酒店門鎖系統(tǒng) 門禁和安全管理系統(tǒng) 貨物跟蹤系統(tǒng) 動物識別系統(tǒng) 容器識別系統(tǒng) 工具識別系統(tǒng) 電子閉鎖防盜 帶有內(nèi)置標(biāo)簽的汽車鑰匙 系統(tǒng)等 1 27 2020 72 2 高頻段電子標(biāo)簽 工作頻率范圍為3 30MHz 典型工作頻率為13 56MHz 無源標(biāo)簽 電感耦合方式 通過讀寫距離大于1m 主要優(yōu)勢 標(biāo)簽芯片不再須要線圈繞制 可通過腐蝕印刷方式制作天線 負(fù)載調(diào)制方式進(jìn)行工作 省電 廉價 工作頻率不受無線電頻率管制和約束 可穿透水 有機(jī)組織和木材等 方便制作成卡狀 主要用于需傳送大量數(shù)據(jù)的場合 典型應(yīng)用有 圖書管理系統(tǒng) 瓦斯鋼瓶管理系統(tǒng) 服裝生產(chǎn)線系統(tǒng) 物流管理系統(tǒng) 三表預(yù)收費(fèi)系統(tǒng) 酒店門鎖系統(tǒng) 大型會議人員通道系統(tǒng) 固定資產(chǎn)管理系統(tǒng) 醫(yī)藥物流系統(tǒng) 智能貨架系統(tǒng) 電子車票系統(tǒng) 身份證系統(tǒng) 電子閉鎖防盜 電子遙控門鎖控制器 系統(tǒng)等 1 27 2020 73 3 特高頻電子標(biāo)簽 工作頻率范圍為300 3GHz 典型工作頻率為433 92MHz和915MHz 無源標(biāo)簽 電容耦合方式 通過讀寫距離約10m左右 主要特點(diǎn) 傳送數(shù)據(jù)速度快 傳送數(shù)據(jù)量大 讀寫距離遠(yuǎn) 但耗能 穿透力差 作業(yè)區(qū)域不能有太多干擾 主要用于需要較長的讀寫距離和較高的讀寫速度的場合 典型應(yīng)用有 供應(yīng)鏈管理系統(tǒng) 生產(chǎn)線自動化管理系統(tǒng) 航空包裹管理系統(tǒng) 集裝箱管理系統(tǒng) 鐵路包裹管理系統(tǒng) 后勤管理系統(tǒng) 鐵路車輛識別系統(tǒng) 集裝箱識別 公路車輛識別系統(tǒng) 高速公路自動收費(fèi)系統(tǒng) 自動公路系統(tǒng)等 1 27 2020 74 4 微波標(biāo)簽 工作頻率范圍為微波段 典型工作頻率為2 45GHz和5 8GHz 可無源標(biāo)簽 也可有源標(biāo)簽 電磁耦合方式 讀寫距離4 6m 主要特點(diǎn) 讀寫天線一般為定向天線 數(shù)據(jù)存儲容量一般限定在2KB以內(nèi) 主要在于標(biāo)識物品并非接觸的識別過程 典型應(yīng)用有 移動車輛識別 電子身份證 倉儲物流 電子閉鎖防盜 電子遙控門鎖控制器 系統(tǒng)等 1 27 2020 75 RFID應(yīng)用領(lǐng)域 1 27 2020 76 RFID應(yīng)用領(lǐng)域 1 27 2020 77 3 2 5RFID標(biāo)準(zhǔn)之爭 RFID技術(shù)五大標(biāo)準(zhǔn)化組織 制定標(biāo)簽的數(shù)據(jù)內(nèi)容和編碼標(biāo)準(zhǔn) EPCglobal 歐美 泛在識別中心 日本 國際標(biāo)準(zhǔn)化組織 ISO 國際電工委員會 IEC AIM 自動識別與移動技術(shù) global IP X 第三世界標(biāo)準(zhǔn)組織 南非等國家推行 1 27 2020 78 3 3傳感器及檢測技術(shù) 物聯(lián)網(wǎng)的神經(jīng)元 傳感器是物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)單元 在信息采集層面的關(guān)鍵器件 同時 MEMS 微電機(jī)系統(tǒng) MOEMS 微光機(jī)電系統(tǒng) 將成為物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)核心 使無線傳感網(wǎng) 光網(wǎng)快速加入物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用系統(tǒng) 提供更明確的應(yīng)用方向和更豐富的市場機(jī)會 物聯(lián)網(wǎng)也將成為傳感器市場的新引擎 實(shí)際生活中 傳感器無處不在 1 27 2020 79 3 3 1傳感器的概念 全自動洗衣機(jī) 濁度傳感器 自動沖水裝置 光電傳感器和電子系統(tǒng) 遙控器 紅外傳感器 汽車 是個傳感器俱樂部 溫度 空氣流量 壓力 轉(zhuǎn)速 位移 水位 曲軸 防抱死制動系統(tǒng) ABS 爆震 里程表等多種傳感器 1 27 2020 80 話筒 在彈性膜片后面粘接一個輕小的金屬線圈 線圈處于永磁體的磁場中 構(gòu)成一種動圈式的傳感器 聲控?zé)?壓電傳感器 手機(jī)的觸摸屏 點(diǎn)觸摸 面觸摸等 數(shù)碼產(chǎn)品 MP3 手機(jī)等聽歌時 用力一搖就換成了下一曲 這就用到了加速度傳感器 電飯鍋 溫度傳感器 電熨斗 另一種溫度傳感器 光電鼠標(biāo) 光學(xué)傳感器 圖像分析芯片 DSP 1 27 2020 81 汽車稱重 壓力傳感器 電子天平 壓力傳感器 電子系統(tǒng) 電子溫度計 紅外傳感器 2003年 美國推出一種高科技馬桶傳感器 各種傳感器 2009年全球用量13億 2010年10多億用于手機(jī) 用于汽車市場420萬 2013年用量將達(dá)到1460萬顆 1 27 2020 82 傳感器是把非電學(xué)物理量 如位移 速度 壓力 溫度 濕度 流量 聲強(qiáng) 光照度等 轉(zhuǎn)換成易于測量 傳輸 處理的電學(xué)量 如電壓 電流 電容等 的一種元件 在實(shí)際應(yīng)用中 傳感器一般由敏感元件 轉(zhuǎn)換元件和測量電路三部分組成 有時還加上輔助電源 如圖3 19 按國家標(biāo)準(zhǔn) 傳感器的通用術(shù)規(guī)定為 能夠感受被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置 通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成 1 27 2020 83 3 3 2傳感器的基本組成及檢測原理 傳感器是把非電學(xué)物理量 如位移 速度 壓力 溫度 濕度 流量 聲強(qiáng) 光照度等 轉(zhuǎn)換成易于測量 傳輸 處理的電學(xué)量 如電壓 電流 電容等 的一種元件 在實(shí)際應(yīng)用中 傳感器一般由敏感元件 轉(zhuǎn)換元件和測量電路三部分組成 有時還加上輔助電源 如圖3 24所示 1 27 2020 84 敏感元件是指傳感器中能直接感受或響應(yīng)被測量的部分 它直接感受被測非電學(xué)量 輸出與被輸出有確定對應(yīng)關(guān)系的 轉(zhuǎn)換元件所能接受的其他物理量 如膜片或膜盒把被測壓力變成位移量 敏感元件是傳感器的核心 需要指出 并不是所有的傳感器都能明顯的區(qū)分敏感元件和轉(zhuǎn)換元件兩部分 有些傳感器轉(zhuǎn)換元件不止一個 有些傳感器 如熱電偶 將敏感元件和轉(zhuǎn)換元件合為一體 測量電路是將轉(zhuǎn)換元件輸出的信號進(jìn)行進(jìn)一步的轉(zhuǎn)換和處理 如放大 濾波 線性化 補(bǔ)償?shù)?以獲得更好的品質(zhì)特性 電源是可選項(xiàng) 1 27 2020 85 傳感器小故事 電子傳感器敗走胡志明小道 1965年 陷入越戰(zhàn)的美軍戰(zhàn)亡人數(shù)攀升為7000多人 為了加快戰(zhàn)爭進(jìn)程 美軍總部決定扼斷向越南南方輸送補(bǔ)給品和武器的胡志明小道 為此 美軍出動轟炸機(jī)云集小道上空狂轟濫炸 又朝小道兩旁的叢林噴灑脫葉毒劑 但這些手段后來收效漸小 而且代價昂貴 1 27 2020 86 不久 作為美國官方思想庫之一的賈森小組為美軍構(gòu)思出了 麥克納馬拉防線 并為防線設(shè)計出各種偽裝成樹葉 樹枝和自然物的傳感器 1968年初 20多萬枚電子傳感器被投放到胡志明小道上 聲波傳感器可以記錄人和車輛的聲音 震動傳感器能探測到地下的挖掘聲 磁性傳感器能傳遞金屬目標(biāo)的位置信息 賈森小組還研制了一種 人跡嗅探器 這是一種懸掛在直升機(jī)上的長鼻子雷達(dá) 能探測生物排出的氨 這些發(fā)明為美軍的B 52轟炸機(jī)提供了準(zhǔn)確有效的信息 北越為此吃盡了苦頭 1 27 2020 87 從1968 1971年 美軍在胡志明小道上使用了大量傳感器 但小道上仍然充滿越南人奔波的身影 為什么會這樣 是美軍的傳感器不夠先進(jìn)嗎 當(dāng)然不是 客觀地講 傳感器結(jié)構(gòu)簡單 便于埋伏偽裝 還可以不受地形和氣候的限制投放到其他偵察器材 視線 達(dá)不到的地段 然而它們也并非十全十美 美軍散布的傳感器種類繁多 卻各有弊端 第一種是震動傳感器 它設(shè)在地表層 能將目標(biāo)引起的地面震動信號轉(zhuǎn)化為電信號 放大后發(fā)給監(jiān)控中心 它的探測距離比很多傳感器都遠(yuǎn) 但這一距離很受土質(zhì)的影響 土質(zhì)硬 探測距離就遠(yuǎn) 土質(zhì)軟 探測距離則近 此外 洼地 溝壕 水溪幾乎可以完全阻止它的探測 而對目標(biāo)進(jìn)行更準(zhǔn)確的鑒別 如判斷是徒手人員還是武裝人員 判斷是履帶車輛還是輪式車輛 當(dāng)時也還做不到 所以當(dāng)越南人趕出大批的牛羊以假隱真 震動傳感器的探頭難免上當(dāng)受騙 1 27 2020 88 第二種是聲響傳感器 這種傳感器就像常見的 話筒 可以把目標(biāo)發(fā)出的聲音信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柊l(fā)給監(jiān)控中心 再還原為聲音信號以進(jìn)行識別 聲響傳感器分辨力強(qiáng) 探測范圍大 但同時耗電量也較大 通常只能受人工指令信號控制探測 或者與耗電少的震動傳感器聯(lián)用 平時震動傳感器工作時 聲響傳感器則關(guān)機(jī) 等震動傳感器探測到目標(biāo)后再啟動聲響傳感器 這樣雖能取長補(bǔ)短 但兩種傳感器只要被破壞一種 探測能力就會大大降低 因此 當(dāng)越南人的猩猩 猴子在樹上躥上跳下時 聲響傳感器起到的警示作用實(shí)在有限 1 27 2020 89 第三種是磁性傳感器 它能連續(xù)發(fā)出無線電信號形成一個靜磁場 當(dāng)鐵磁金屬制成的物體進(jìn)入其中 會感應(yīng)產(chǎn)生一個新磁場 擾動原來的靜磁場并產(chǎn)生電信號 從而實(shí)現(xiàn)對攜帶武器的人和車輛的探測 磁性傳感器鑒別目標(biāo)性質(zhì)的能力較強(qiáng) 反應(yīng)速度也較快 但是它受到設(shè)備體積和重量的限制 使得探測距離較近 此外如果敵方采用磁屏障 也能有效限制其探測功能的發(fā)揮 另外 美軍還布撒了靠發(fā)出紅外光或捕捉熱輻射來探測目標(biāo)的紅外傳感器以及在地面埋設(shè)應(yīng)變電纜 通過受到的壓力來報警的壓力傳感器 但它們的探測范圍都有限 在胡志明小道上 越南人用智慧戰(zhàn)勝了美軍看似不可一世的高技術(shù) 1 27 2020 90 3 3 3常用傳感器的工作特點(diǎn)和應(yīng)用1 溫度傳感器 熱敏電阻主要是利用各種材料電阻率的溫度敏感性 根據(jù)材料的不同 熱敏電阻可以用于設(shè)備的過熱保護(hù) 以及溫控報警等等 半導(dǎo)體溫度傳感器利用半導(dǎo)體器件的溫度敏感性來測量溫度 具有成本低廉 線性度好等優(yōu)點(diǎn) 溫差電偶則是利用溫差電現(xiàn)象 把被測端的溫度轉(zhuǎn)化為電壓和電流的變化 由不同金屬材料構(gòu)成的溫差電偶 能夠在比較大的范圍內(nèi)測量溫度 例如 200 2000 1 27 2020 91 2 光傳感器 光傳感器可以分為光敏電阻以及光電傳感器兩個大類 如圖3 26所示 光敏電阻主要利用各種材料的電阻率的光敏感性來進(jìn)行光探測 光電傳感器主要包括光敏二極管和光敏三極管 這兩種器件都是利用半導(dǎo)體器件對光照的敏感性 光敏二極管的反向飽和電流在光照的作用下會顯著變大 而光敏三極管在光照時其集電極 發(fā)射極導(dǎo)通 類似于受光照控制的開關(guān) 此外 為方便使用 市場上出現(xiàn)了把光敏二極管和光敏三極管與后續(xù)信號處理電路制作成一個芯片的集成光傳感器 光敏電阻結(jié)構(gòu)圖與實(shí)物 光敏三極管 集成光傳感器 1 27 2020 92 壓力傳感器是通過測量目標(biāo)沿地面所產(chǎn)生的壓力變化來發(fā)現(xiàn)和測定目標(biāo)的偵察設(shè)備 其種類有 應(yīng)變鋼絲傳感器 平衡壓力傳感器 振動 磁性電纜傳感器 駐極體電纜和光釬壓力傳感器等 常見的壓力傳感器在受到外部壓力時會產(chǎn)生一定的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變形或位移 進(jìn)而轉(zhuǎn)化為電特性的改變 產(chǎn)生相應(yīng)的電信號 如圖3 27所示 3 壓力傳感器 一種車用電容式壓力傳感器 Honeywell24PC壓力傳感器及其內(nèi)部結(jié)構(gòu) 1 27 2020 93 4 濕度傳感器 一種電阻式陶瓷濕敏傳感器結(jié)構(gòu)圖 一種電容式濕敏傳感器結(jié)構(gòu)圖 幾種濕度傳感器 1 27 2020 94 5 霍爾 磁性 傳感器 霍爾傳感器是利用霍爾效應(yīng)制成的一種磁性傳感器 霍爾效應(yīng)是指 把一個金屬或者半導(dǎo)體材料薄片置于磁場中 當(dāng)有電流流過時 由于形成電流的電子在磁場中運(yùn)動而受到磁場的作用力 會使得材料中產(chǎn)生與電流方向垂直的電壓差 可以通過測量霍爾傳感器所產(chǎn)生的電壓的大小來計算磁場的強(qiáng)度 如圖3 29所示 1 27 2020 95 霍爾傳感器結(jié)合不同的結(jié)構(gòu) 能夠間接測量電流 振動 位移 速度 加速度 轉(zhuǎn)速等等 具有廣泛的應(yīng)用價值 如圖3 30所示 1 27 2020 96 6 圖像傳感器 CCD電荷耦合器件工作特